1. 研究目的与意义（文献综述）

1.设计的目的与意义

随着经济的发展和人民生活水平的提高，乘用车的保有量显著提高。随之而来的就是能源的大量消耗与空气污染等问题的出现。各国都出台了相关的法规来限制燃油的消耗率及汽车的排放标准，而汽车的轻量化则是实现节能减排的重要途径。如何在保证汽车安全性的同时实现轻量化的目的已经成为汽车领域中的核心内容之一。

目前轻量化共有3种方式，分别为轻量化骨架，轻量化材料以及复合材料。

轻量化骨架，通过优化结构设计，得到重量最小化的座椅骨架。如图一。

图一.轻量化骨架

轻量化材料即采用密度较小的合金材料，通过压铸或者冲压工艺，制造座椅坐垫骨架或靠背骨架。如图二。

图二 轻合金骨架（a铝合金骨架，b镁合金骨架）

复合材料利用高强度复合材料制作的座椅骨架，重量急剧减

轻，图3为采用高强度塑料的坐垫骨架和碳纤维的靠背骨架。

图3.轻量化骨架

（a）铝合金骨架（b）镁合金骨架

1.1碳纤维材料

本文主要利用碳纤维复合材料去替代传统座椅的钢材，并利用Ansys进行CAE的强度分析，检验轻量化后的合格与否。

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

从而用碳纤维去替代传统座椅骨架的钢材具有可行性。

1.2国内外的碳纤维材料运用现状

在2012年世界碳纤维协会(World Outlook for Carbon Fiber Association)上,复合材料在汽车工业的应用是一大重点,会上有6篇专题报告涉及在汽车工业应用复合材料问题:美国福特汽车公司的“碳纤维复合材料和汽车工业”;美国东丽复合材料公司的“碳纤维增强塑料在日本汽车工业的应用”;德国SGL公司的“了解预氧纤维和碳纤维在汽车上应用的可能”;美国赫克塞尔公司的“供汽车应用的低成本碳纤维发展计划”;BIT公司的“供汽车应用买得起的碳纤维复合材料”;橡树岭国家实验室做的“供交通运输应用的低成本炭纤维”。

国外介绍,一辆典型轿车的碳纤维用量可以超过113kg。如按此计算,仅仅为了满足北美生产轿车的要求,碳纤维的需求量就达现有世界碳纤维总生产能力的一百倍。洛克希德马丁能研究所(Lockheed Martin Energy Research)的瓦伦(David Warren)统计过,如果每一辆北美的汽车用了2.2kg碳纤维,那北美1800万辆小车碳纤维的总需求量就超过当前全球大丝束碳纤维总生产能力4倍。

2002年雷诺(Renault)公司、沃尔福(Volvo)公司、福特(Ford)公司、本茨(Mercedes一Benz)公司和标致(PUEGOT)公司等,分别展示了在Vel Saits和Laguna车、V70车、雷鸟Thunderbird 806等车的后车门、车身板、散热器构件、折合式车罩、操纵盘、减震器、后板外壳、操纵台盖、前防护板、护栅、后上罩面板、可拆卸顶等零部件或构件上采用复合材料,但大部分还是玻璃纤维增强复合材料和模压SMC工艺,有的已采用三向数字化设计和计

算机控制,并配置了标准设备批量生产,详见表1。

碳纤维复合材料在汽车上应用比较成功的一个实例是美国摩里逊公司(Morrison Molded Fiber Glass)生产的碳纤维复合材料汽车传动轴。摩里逊公司为达纳公司(Dana Corporation)生产汽车传动轴,供通用汽车公司载重汽车应用。采用碳纤维复合材料后可以使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件,与钢材相比质量可减轻60%,每个传动轴减轻9kg。该传动轴采用ZOLTEK公司的工业级48 K炭纤维生产,年产60万根传动轴,每根传动轴消耗炭纤维0.68kg,仅此一项,每年需要炭纤维超过400t。

加拿大EDO公司评估了碳纤维增强的燃料箱,用ZOLTEK公司48 K大丝束碳纤维生产,供通用汽车公司1997型GMC车和雪佛莱汽车公司的载重车使用。美国施道顿复合材料公司(Stoughton Composites Inc.)开发碳纤维复合材料集装箱,复合材料集装箱有许多优点,包括减轻重量、耐腐蚀、减少保养等。当碳纤维价格为17.6美元/kg时,碳纤维复合材料集装箱价格为1600美元,这样的价格和金属集装箱相比就可以竞争,如能进一步降低价格,碳纤维复合材料集装箱的市场将会大幅度增长。

卓尔泰克公司(ZOLTEK Companies)一直致力于把低成本大丝束碳纤维复合材料引人汽车工业，该公司总裁ZOLT RUMY宣称,已成功地对宝马公司(BMW)Z22碳纤维概念车进行了性能测定,Z22是2000年车型,供开展在汽车上采用复合材料可行性研究,该车的车身由20个碳纤维复合材料零件组成,与钢材相比,质量可减轻50%。该可行性研究被认为在汽车上增加先进复合材料用量的重要步序。

2. 研究的基本内容与方案

2.基本内容和技术方案

2.1座椅骨架的模型建立与分析

利用UG通过尺寸设计，先确定座椅基准点R点（理论上H点应与R点重合），再通过约束完成链接，构建座椅骨架。

为方便后面的Ansys的CAE分析，去掉座椅不必要的座椅调节机构，泡沫组件，塑料装饰件，座椅面套……仅仅保留构成座椅骨架的靠背骨架和坐垫骨架等（主要起支撑和连接作用的框架）。

2.2座椅骨架的Ansys分析

试验研究和仿真分析是目前座椅安全性研究的主要两种方法。

试验模拟研究，即试验研究，历经几十年的发展，如今已成为比较成熟的汽车安全部件开发设计的研究方法。座椅安全性试验主要包括座椅静强度特性试验、动态冲击特性试验、实车碰撞试验和台车试验。通过静、动态试验设备，结合多重测量方法得到的位移、力和加速度等响应指标，以模拟和检测不同工况时，座椅对乘员提供的保护效果。目前，多数汽车座椅的试验已广泛应用于汽车法规和NCAP 评价规程中，是汽车座椅开发和设计的重要研究手段随着计算机技术的日臻完善，有限元仿真分析方法的优点也逐渐展现出来。在产品设计初期阶段，仿真分析技术的引用可以帮助开发人员快速地了解产品应具备的性能，并剔除一批低劣的方案，提高开发效率；其次，仿真分析结果能够详细地反映出产品在试验工况中微小的变形及应力分布等响应情况，可以让设计人员的开发过程更具目的性，缩短研发周期，同时这些数据也是试验中无法获得的。尽管仿真分析存在着开发周期短、成本低等优势，但仿真模型的精确性和准确性却仍需要大量试验数据来进行验证和校正的。所以，目前仿真分析要想应用到实际产品开发和生产当中，通常需要经过几轮的试验验证和修改，这样得到结果才更具有实际使用价值。

本次分析主要选取静态性能试验和动态实验的部分实验来检验碳纤维替换传统钢材后座椅骨架力学性能的合格与否。

2.2.1靠背静强度试验

座椅总成安排在试验夹具上；靠背角度调节为设计状态：施加后向载荷时位于最后位置，施加前向载荷时位于最前位置。带有高度调节功能时，应处于在高位置。前向施加(108-110）kgf（1kgf=9.8N）的载荷，后向施加（178-182)kgf的载荷，加载点位于座椅骨架上横梁的中部，如图4所示。

图4 靠背强度实验

根据测量结果，绘制载荷-位移曲线图。试验后，座椅实验部分应能正常工作，载荷-位移关系应符合图5的要求。

载荷与位移的关系曲线落在合格区域内部即为合格。

图5 载荷-位移评价

2.2.2座椅动态实验-行李箱冲击试验

试验方法应符合GB 15083-2006的规定。白车身固定在台车上，安装座椅。试验模块尺寸为300mm*300mm*300mm，质量为18kg。试验模块放置如图6所示，两个试验模块之间的距离为50mm。在车的X方向，试验模块与座椅的距离为200mm。试验减速度如图7所示。试验期间，允许座椅靠背及其紧固件变形，但靠背或头枕部分的前轮廓不能向前超过座椅H点前方150mm处（对头枕部分）或100mm处（座椅靠背部分）的横向垂直。

图6试验模块放置

图7 试验减速度波形

本次利用Ansys来模拟此过程，从而进行CAE的分析。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

7 学期第20周 确定毕业设计选题、完善毕业设计任务书(相关参数)、校内资料收集

8 学期第1周 方案构思、文献检索、完成开题报告

4. 参考文献（12篇以上）

4.阅读的参考文献

[1]钟柳华,练朝春,孟正华. 汽车座椅设计与制造[m]. 国防工业出版社，2016-12-30

本书较系统地介绍了汽车座椅系统的结构、工艺和材料。 结合实例对汽车( 尤其是乘用车)座椅的总布置设计、安全性设计、舒适性设计、装配性设计进行了详细阐述。对汽车座椅系统的相关法规与标准、开发流程、制造工艺及检测和试验方法作了简要介绍。本书可作为车辆工程专业本科生及专科生的教材也可作为企业汽车座椅、汽车内饰设计工程师的参考书。